Что такое насос в физике. Поршневые насосы

Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса.Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям: 1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные; 2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы); 3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия. 4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.

Рис. 7.3. Насос поршневой простого действия

Насос простого действия . Схема насоса простого действия изображена на рис. 7.3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3 , в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1 . Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу5 поступает в рабочую камеру 7 . При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9 .

Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет

где F - площадь поршня, м²; l - ход поршня, м; n - число оборотов двигателя, об/мин.

Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.

Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.

Отношение действительной подачи Q к теоретической Q T называется объемным КПД поршневого насоса:

Объемный КПД - основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.

Рис. 7.4. Насос поршневой двойного действия

Насос двойного действия . Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 7.4), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет

где f - площадь штока, м 2 .

Рис. 7.5. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем

Дифференциальный насос . В дифференциальном насосе (рис. 7.5) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5 . Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I ) или малый зазор (вариант II ) со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6 , а также вспомогательную камеру 1 . Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F - f)l ; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный f l . Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный

(F - f)l + fl = Fl

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.

Насосы согласно ГОСТ 17398 по принципу действия и конструкции делятся на две основные группы - динамические и объемные (таблица).

К динамическим относят насосы, в которых жидкость в камере движется под силовым воздействием и имеет постоянное сообщение с входным и выходным патрубками. Это силовое воздействие осуществляется с помощью рабочего колеса, сообщающего жидкости кинетическую энергию, трансформируемую в энергию давления. Динамическими являются насосы лопастные, электромагнитные, трения и инерции.

К объемным относят насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется по принципу механического периодического вытеснения жидкости рабочим телом, создающим в процессе перемещения определенное давление жидкости. В объемных насосах жидкость получает энергию в результате периодического изменения замкнутого объема, который попеременно сообщается то с входом, то с выходом насоса. Объемными являются насосы поршневые, плунжерные, диафрагменные, роторные и шестеренные.

Лопастными называют насосы, в которых передача энергии осуществляется с помощью вращающегося лопастного колеса (которое служит их рабочим органом), путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. Лопастными являются насосы центробежные, осевые и диагональные.

Центробежными называют лопастные насосы с движением жидкости через рабочее колесо от центра к периферии, осевыми -лопастные насосы (ГОСТ 9366) с движением жидкости через рабочее колесо в направлении его оси. Рабочие колеса осевых насосов состоят из нескольких винтовых полостей, имеющих форму лопастей пропеллера.

Насосы трения и инерции представляют собой группу динамических насосов, в которых передача энергии жидкости осуществляется силами трения и инерции. Сюда относят вихревые, шнековые, лабиринтные, червячные и струйные насосы. Лопастные насосы классифицируют также по напору, мощности и коэффициенту быстроходности.

По напору (м ст. жидкости) различают насосы: Низконапорные до 20 м, средненапорные от 20 до 60, высоконапорные свыше 60.

По мощности (кВт) насосы могут быть микронасосы до 0,4, мелкие до 4, малые до 100 при подаче 0,5 м 3 /с, средние до 400, крупные свыше 400 при подаче выше 0,5 м 3 /с, уникальные свыше 8000 при подаче свыше 20 м 3 /с.

По коэффициент быстроходности

,

где n - частота вращения, об/мин; Q - подача, м 3 /с; H- напор, м.

В этой формуле под напором Н для многоступенчатых насосов понимают напор, развиваемый одним колесом (ступенью). Если насос имеет рабочее колесо с двухсторонним входом, подставляют значение Q, равное половинной их подаче. Коэффициент быстроходности представляет собой наиболее полную гидравлическую характеристику центробежных насосов, позволяет классифицировать насосы не по одному какому-нибудь отдельному параметру (подаче, напору или частоте вращения), а по их совокупности и дает основание для сравнения различных типов насосов и выбора насоса, наиболее пригодного для работы в заданных условиях. Для лопастных насосов различных типов значения ns об/мин приведены ниже:

Центробежные бывают тихоходные 50…80, нормальные 80…150, быстроходные 350….500. У диагональных насосов коэф. быстроходности находится в пределах 350…500, а у осевых 500…1500.

Коэффициент быстроходности ns определяет и форму рабочего колеса насоса. В качестве примера рассмотрим колеса насосов различной быстроходности. Тихоходное колесо характеризуется тем, что выходной диаметр намного больше входного и колесо имеет относительно малую ширину. С увеличением быстроходности эта разница сокращается, ширина растет и далее коллесо переходит в диагональное и осевое.

Классификация насосов по конструкции и назначению.

При классификации лопастных насосов по конструкции учитывают следующие признаки: расположение оси вращения (вертикальное, горизонтальное), расположение и выполнение опор (консольное, с выносными или внутренними опорами и т. п.), количество колес (одно-, двух- и многоступенчатые), выполнение подвода и отвода (с полуспиральным или камерным подводом, с лопаточным отводом и т. п.), наличие регулирования, конструкцию корпуса (с продольным разъемом, секционный и т. п.), погруженность под уровень, вид уплотнения (с мягким сальником, с торцевым уплотнением и т. п.), конструкцию рабочего колеса (с открытым или закрытым рабочим колесом, поворотно-лопастная, с двухсторонним входом и т. п.), способность к самовсасыванию, герметичность, наличие конструктивного объединения с двигателем, систем обогрева или охлаждения, предвключенного шнека, назначение (для установки в скважине, капсуле и т. д.).

При классификации по назначению различают насосы: общего назначения (табл.) для перекачки чистой воды с небольшим содержанием взвешенных частиц; для перекачки пульпы или грунта - землесосы, грунтовые и грязевые; для подачи воды из скважин - электропогружные с двигателем, находящимся под уровнем воды, и глубинные, у которых двигатель установлен над скважиной, а насос располагается в скважине под водой (от насоса к двигателю идет секционный вал, удерживаемый в направляющих подшипниках, установленных в крестовинах между секциями водоподъемных труб); для перекачки бензина, керосина или масел, химических веществ и др.

Насосы типа К и KM- это консольные насосы одноступенчатого типа с входом жидкости в рабочее колесо с одной стороны. Они имеют следующие характеристики: напор 8,8...9,8 м, высоту всасывания до 8 м и подачу 4,5...360 м /ч.

В зависимости от размера каждый насос имеет свою марку, в которой указаны диаметр входного патрубка, коэффициент быстроходности и тип насоса. Так, цифра 8 у консольного насоса марки 8К-18 означает диаметр входного патрубка (мм), уменьшенный в 25 раз, консольный тип насоса обозначен буквой К, а число 18 - уменьшенный в 10 раз коэффициент быстроходности насоса.

Насосы типа НД- это одноколесные горизонтальные насосы с двухсторонним подводом жидкости в рабочее колесо. Существует три разновидности таких насосов: НДн (низкого напора), НДс (среднего напора) и НДв (высокого напора). Каждая из трех разновидностей имеет несколько размеров. Диаметр напорного патрубка (мм), уменьшенный (округленно) в 25 раз, указывается цифрой перед буквами в марке насоса. Высота всасывания у таких насосов не бывает выше 7 м.

Насосы типа НДн имеют подачу 1350...5000 м3 /ч и напор от 10 до 32 м;

насосы типа НДс - подачу 216...6500 м3 /ч и напор 18...90 м,

насосы типа НДв подачу от 90 до 720 м3 /ч и напор 22...104 м.

Насосы типа НМК, ЦНС, ЦННМ, ЦК- это многоступенчатые горизонтальные насосы, где подвод жидкости происходит с двух сторон в первое рабочее колесо. Эти насосы имеют несколько разновидностей с числом колес от 2 до 11. Напор у них до 2000 м и подача 3600 м3/ч.

К группе горизонтальных центробежных насосов относятся одноколесные насосы типа Д с подачей 380...12 500 м3 /ч и напором 12...137 м, четырехступенчатые насосы типа М с подачей 700...1200 м3 /ч и напором 240...350 м трех- и пятиступенчатые насосы типа МД с подачей 90...320 м /ч и напором 138...725 м четырех- и шестиступенчатые секционные насосы типа НГМ с подачей 54...90 м /ч и напором 102...210 м.

Рассмотрим вертикальные центробежные и осевые насосы для перекачивания воды и чистых жидкостей.

Насосы типа НДсВ - их выпускают в двух типоразмерах 207 ДВ и 24 НДв. Это одноступенчатые вертикальные насосы среднего напора с двухсторонним входом жидкости в рабочее колесо. Подача составляет 2700...6500 м3 /ч, напор - 40...79 м.

Насосы типа В - это самые крупные насосы, одноступенчатые вертикальные с односторонним входом жидкости в рабочее колесо. Их выпускают с подачей от 3000 до 6500 м3 /ч, напором 18...72 м нескольких типоразмеров.

Осевые насосы . Лопастные насосы, в которых жидкость движется через рабочее колесо параллельно его оси, называют осевыми.

Такие насосы предназначены для подачи больших количеств жидкости при относительно малых напорах. У осевых насосов поток жидкости, выходящей из каналов рабочего колеса, имеет вихревую, с закруткой структуру, и, попадая в неподвижные каналы выправляющего аппарата, он раскручивается, постепенно переходя в осевое направление.

Преимущества осевых насосов: простота и компактность конструкции. Компактность конструкции имеет решающее значение при больших подачах, а следовательно, и при больших диаметрах трубопроводов. Осевые насосы могут быть установлены на вертикальной, горизонтальной или наклонной трубе.

В осевых насосах жидкость, двигаясь поступательно, одновременно получает вращательное движение, создаваемое рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит направляющий аппарат, через который жидкость протекает перед выходом в напорный трубопровод.

Диагональные насосы. По конструкции диагональные насосы сходны с осевыми, основное отличие их состоит в форме рабочего колеса. Жидкая среда движется в рабочем колесе под углом к оси насоса (по диагонали), что и определяет название этих насосов.

Диагональный насос поворотно-лопастного типа с рабочим колесом диаметром 2 м (рис.) рассчитан на напор 30 м. Лопасти рабочих колес могут иметь жесткое крепление и могут быть поворотными, т. е. их установка регулируется.

Водокольцевые насосы относятся к группе самовсасывающих, или вакуум-насосов.

Устройство их таково, что они могут всасывать и воздух, и воду. Большой недостаток центробежных насосов обычных конструкций - их неспособность к самостоятельному всасыванию жидкости, так как воздух, первоначально находящийся во всасывающей трубе, вследствие его малой массы не может быть откачан для создания достаточно глубокого вакуума, обеспечивающего подъем жидкости до заполнения ею рабочего колеса насоса. Водокольцевые насосы могут создавать значительные разрежения в воздушной среде, а следовательно, и поднимать жидкость по всасывающей трубе на достаточно большую высоту, т. е. могут сами всасывать жидкость без предварительной заливки насоса. Это явление называют самовсасыванием.

Применяют водокольцевые насосы как самостоятельные агрегаты для перекачки газов или жидкостей, но чаще как вспомогательные установки для обеспечения заливки больших центробежных насосов, а также для создания и поддержания вакуума в различных емкостях и аппаратах.

Напор вихревого насоса в 4...6 раз больше, чем центробежного, при тех же габаритах и частоте вращения. Вихревые насосы выпускают одноступенчатыми и двухступенчатыми. Кроме того, вихревые насосы обладают самовсасывающей способностью, что позволяет использовать их в качестве вакуум-насосов при заливе крупных центробежных насосов. У вихревых насосов относительно невысок КПД (25...55 %). Выпускают комбинированные насосы, у которых в одном корпусе размещены и вихревые, и центробежные колеса.

Сопоставление технических данных вихревых и центробежно-вихревых насосов показывает, что при одинаковых подачах вихревые и центробежно-вихревые насосы работают при более высоких напорах, но относительно низких КПД.

Эрлифты (эмульсионные водоподъемники). Применяют эрлифты в канализации для подъема хозяйственно-фекальных и отработанных производственно-сточных вод.

Обычно эрлифт представляет собой подъемную трубу, предназначенную для поднятия смеси воды с воздухом. Трубу опускают в скважину, к которой по другой трубе подводится сжатый воздух. Обе трубы вставляют в обсадную трубу скважины и опускают до уровня воды.

Принцип действия эрлифта заключается в следующем. При погружении в воду подъемная труба заполняется водой. Подведенный в трубу воздух с водой образует водовоздушную смесь, которая имеет меньшую плотность по сравнению с водой и, следовательно, поднимается на более высокий уровень. Таким образом вода транспортируется из скважины в водовоздушный резервуар. Здесь вода освобождается от воздуха и самотеком уходит к потребителю.

В случае временного использования эрлифтных установок (например, на строительстве при водопонижении или на изысканиях при выполнении пробных откачек) можно обойтись без водоподъемных труб. В этом случае воздух, подведенный по водоподъемной трубе 4, выпускается прямо в обсадную трубу, где и смешивается с водой. Образующаяся водовоздушная эмульсия будет изливаться непосредственно через обсадные трубы.

Преимущества эрлифтов: отсутствие трущихся и перегораживающих деталей в скважине, возможность пропуска загрязненных вод и использования искривленных скважин, простота устройства и т. д.

Основные недостатки: низкий КПД эрлифтовой установки (10... 15 %), необходимость второго подъема воды из сборного резервуара к потребителю с помощью центробежного или другого насоса и необходимость значительного (не менее 50 % суммарной высоты) погружения форсунки эрлифта под динамический горизонт воды (ДГВ), образующийся при работе эрлифта.

Вопрос № 36. Напор динамического насоса.

Динамическим напором насоса называется приращение кинетической энергии единицы массы жидкости в насосе.

Это часть общего напора, относящаяся к скорости жидкости. Динамический напор Hd определяется по следующей формуле: Hd = v/2g где: V - скорость жидкости, измеренная на входе (в м/с); g – ускорение свободного падения (в м/с?). Если входной и выходной патрубки имеют различные диаметры динамический напор это разница динамических напоров на всасывании и на выходе. Если входной и выходной патрубки имеют одинаковый диаметр, то динамический напор отсутствует.

Вопрос №37. Производительность, мощность и КПД динамического насоса.

Производительность (Q) обычно выражается в кубических метрах в час (м 3 /час). Так как жидкости абсолютно несжимаемы, существует прямая зависимость между производительностью, или расходом, размером трубы и скоростью жидкости. Это отношение имеет вид: Где ID – внутренний диаметр трубопровода, дюйм V - скорость жидкости, м/сек Q - производительность, (м 3 /час)

Рис. 1. Высота всасывания - показаны геометрические напоры в насосной системе, где насос находится выше резервуара всасывания (статический напор)

Мощность и КПД Работа, выполняемая насосом, является функцией общего напора и веса жидкости, перекачиваемой за заданный период времени. Как правило, в формулах используются параметр производительности насоса (м 3 /час) и плотность жидкости вместо веса. Мощность, потребляемая насосом (bhp) - это действительная мощность на валу насоса сообщаемая ему электродвигателем. Мощность на выходе насоса или гидравлическая (whp) - мощность, сообщаемая насосом жидкой среде. Эти два определения выражены следующими формулами. Мощность на входе насоса (потребляемая мощность) больше мощности на выходе насоса или гидравлической мощности за счет механических и гидравлических потерь, возникающих в насосе. Поэтому эффективность насоса (КПД) определяется как отношение этих двух значений. Быстроходность и тип насоса Быстроходность - это расчетный коэффициент, применяемый для классификации рабочих колес насоса по их типу и размерам. Он определяется как частота вращения геометрически подобного рабочего колеса, подающего 0,075 м 3 /с жидкости при напоре 1 м. (В американских единицах измерения 1 галлон в минуту при 1 футе напора) Однако, это определение используется только при инженерном проектировании, и быстроходность должна пониматься как коэффициент для расчета определенных характеристик насоса. Для определения коэффициента быстроходности, используется следующая формула: Где N – Скорость насоса (в оборотах в минуту) Q – Производительность (м 3 /мин) в точке максимального КПД. H – Напор в точке максимального КПД. Быстроходность определяет геометрию или класс рабочего колеса, как показано на рис.3
Рис. 3 Форма колеса и быстроходность По мере возрастания быстроходности соотношение между наружным диаметром рабочего колеса D2 и входным диаметром D1 сокращается. Это соотношение равно 1.0 для рабочего колеса осевого потока. Рабочие колеса с радиальными лопатками (низким Ns) создают напор за счет центробежной силы. Насосы с более высоким Ns создают напор частично с помощью той же центробежной силы, а частично с помощью осевых сил. Чем выше коэффициент быстроходности, тем большая доля осевых сил в создании напора. Насосы осевого потока или пропеллерные с коэффициентом быстроходности 10.000 (в американских единицах) и выше создают напор исключительно за счет осевых сил. Колеса радиального потока обычно применяются, когда необходим высокий напор и малая производительность, тогда как колеса осевого потока применяются для работ по перекачиванию больших объемов жидкости при низких напорах. Кавитационный запас (NPSH), давление на входе и кавитация Гидравлический Институт определяет параметр NPSH, как разницу абсолютного напора жидкости на входе в рабочее колесо и давления насыщенных паров. Другими словами, это превышение внутренней энергии жидкости на входе в рабочее колесо на ее давлением насыщенных паров. Данное соотношение позволяет определить, закипит ли жидкость в насосе в точке минимального давления. Давление, которое жидкость оказывает на окружающие ее поверхности, зависит от температуры. Это давление называется давлением насыщенных паров, и оно является уникальной характеристикой любой жидкости, которая возрастает с увеличением температуры. Когда давление насыщенного пара жидкости достигает давления окружающей среды, жидкость начинает испаряться или кипеть. Температура, при которой происходит это испарение, будет понижаться по мере того, как понижается давление окружающей среды. При испарении жидкость значительно увеличивается в объеме. Один кубический метр воды при комнатной температуре превращается в 1700 кубических метра пара (испарений) при той же самой температуре. Из вышеизложенного видно, что если мы хотим эффективно перекачивать жидкость, нужно сохранять ее в жидком состоянии. Таким образом, NPSH определяется как величина действительной высоты всасывания насоса, при которой не возникнет испарения перекачиваемой жидкости в точке минимально возможного давления жидкости в насосе. Требуемое значение NPSH (NPSHR) - Зависит от конструкции насоса. Когда жидкость проходит через всасывающий патрубок насоса и попадает на направляющий аппарат рабочего колеса, скорость жидкости увеличивается, а давление падает. Также возникают потери давления из-за турбулентности и неровности потока жидкости, т.к. жидкость бьет по колесу. Центробежная сила лопаток рабочего колеса также увеличивает скорость и уменьшает давление жидкости. NPSHR - необходимый подпор на всасывающем патрубке насоса, чтобы компенсировать все потери давления в насосе и удержать жидкость выше уровня давления насыщенных паров, и ограничить потери напора, возникающие в результате кавитации на уровне 3%. Трехпроцентный запас на падение напора – общепринятый критерий NPSHR , принятый для облегчения расчета. Большинство насосов с низкой всасывающей способностью могут работать с низким или минимальным запасом по NPSHR, что серьезно не сказывается на сроке их эксплуатации. NPSHR зависит от скорости и производительности насосов. Обычно производители насосов предоставляют информацию о характеристике NPSHR. Допустимый NPSH (NPSHA) - является характеристикой системы, в которой работает насос. Это разница между атмосферным давлением, высоты всасывания насоса и давления насыщенных паров. На рисунке изображены 4 типа систем, для каждой приведены формулы расчета NPSHA системы. Очень важно также учесть плотность жидкости и привести все величины к одной единице измерения.
Рис. 4 Вычисление столба жидкости над всасывающим патрубком насоса для типичных условий всасывания Pв - атмосферное давление, в метрах; Vр - Давление насыщенных паров жидкости при максимальной рабочей температуре жидкости; P - Давление на поверхности жидкости в закрытой емкости, в метрах; Ls - Максимальная высота всасывания, в метрах; Lн - Максимальная высота подпора, в метрах; Hf - Потери на трение во всасывающем трубопроводе при требуемой производительности насоса, в метрах. В реальной системе NPSHA определяется с помощью показаний манометра, установленного на стороне всасывания насоса. Применяется следующая формула: Где Gr - Показания манометра на всасывании насоса, выраженные в метрах, взятые с плюсом (+) , если давление выше атмосферного и с минусом (-), если ниже, с поправкой на осевую линию насоса; hv = Динамический напор во всасывающем трубопроводе, выраженный в метрах. Кавитация – это термин, применяющийся для описания явления, возникающего в насосе при недостаточном NPSHA. Давление жидкости при этом ниже значения давления насыщенных паров, и мельчайшие пузырьки пара жидкости, двигаются вдоль лопаток рабочего колеса, в области высокого давления пузырьки быстро разрушаются. Разрушение или «взрыв» настолько быстрое, что на слух это может казаться рокотом, как будто в насос насыпали гравий. В насосах с высокой всасывающей способностью взрывы пузырьков настолько сильные, что лопатки рабочего колеса разрушаются всего в течение нескольких минут. Это воздействие может увеличиваться и при некоторых условиях (очень высокая всасывающая способность) может привести к серьезной эрозии рабочего колеса. Возникшую в насосе кавитацию очень легко распознать по характерному шуму. Кроме повреждений рабочего колеса кавитация может привести к снижению производительности насоса из-за происходящего в насосе испарения жидкости. При кавитации может снизиться напор насоса и /или стать неустойчивым, также непостоянным может стать и энергопотребление насоса. Вибрации и механические повреждения такие как, например, повреждение подшипников, также могут стать результатом работы насоса с высокой или очень высокой всасывающей способностью при кавитации. Чтобы предотвратить нежелательный эффект кавитации для стандартных насосов с низкой всасывающей способностью, необходимо обеспечить, чтобы NPSHA системы был выше, чем NPSHR насоса. Насосы с высокой всасывающей способностью требуют запаса для NPSHR. Стандарт Гидравлического Института (ANSI/HI 9.6.1) предлагает увеличивать NPSHR в 1,2 - 2,5 раза для насосов с высокой и очень высокой всасывающей способностью, при работе в допустимом диапазоне рабочих характеристик.

Вопрос № 38. Основное уравнение работы центробежных насосов.

Основное уравнение центробежного насоса впервые в самом общем виде было получено в 1754 г. Л. Эйлером и носит ею имя.

Рассматривая движение жидкости внутри рабочего колеса, сделаем следующие допущения: насос перекачивает идеальную жидкость в виде струй, т. е. в насосе отсутствуют все виды потерь энергии. Число одинаковых лопастей насоса бесконечно большое (z = µ), толщина их равна нулю (d= 0), а угловая скорость вращения колеса постоянна (w= const.).

К рабочему колесу центробежного насоса со скоростью Vo жидкость подводится аксиально, т. е. в направлении оси вала. Затем направление струй жидкости изменяется от осевого до радиального, перпендикулярного оси вала, а скорость благодаря центробежной силе увеличивается от значения V1 в пространстве между лопастями рабочего колеса до значения V2 на выходе из колеса.

В межлопастном пространстве рабочего колеса при движении жидкости различают абсолютную и относительную скорости потока. Относительная скорость потока - скорость относительно рабочего колеса, а абсолютная - относительно корпуса насоса.

Рис. Схема движения жидкости в рабочем колесе центробежного насоса

Абсолютная скорость равна геометрической сумме относительной скорости жидкости и окружной скорости рабочего колеса. Окружная скорость жидкости, выходящей между лопастями рабочего колеса, совпадает с окружной скоростью колеса в данной точке.

Окружная скорость жидкости (м/с) на входе в рабочее колесо

Окружная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса (м/с)

где n-частота вращения рабочего колеса, об/мин; D1 и D2 - внутренний и внешний диаметры рабочего колеса, м, w- угловая скорость вращения рабочего колеса рад/с

При движении рабочего колеса частицы жидкости движутся вдоль лопастей. Вращаясь вместе с рабочим колесом, они приобретают окружную скорость, а перемещаясь вдоль лопастей - относительную.

Абсолютная скорость v движения жидкости равна геометрической сумме ее составляющих: относительной скорости w и окружной u , т. е. v = w + и.

Связь между скоростями частиц жидкости выражается параллелограммом или треугольниками скоростей, что позволяет дать понятие о радиальной и окружной составляющих абсолютной скорости.

Радиальная составляющая

окружная составляющая

где a- угол между абсолютной и окружной скоростями (на входе рабочего колеса a1 и на выходе a2).

Угол b между относительной и окружной скоростями характеризует очертание лопастей насоса.

Исследуем изменение за 1 с момента количества движения Массы жидкости т = rQ , где r - плотность жидкости; Q- подача насоса.

Используя теорему механики об изменении моментов количества движения применительно к движению жидкости в канале рабочего колеса, выведем основное уравнение центробежного насоса, которое позволит определить развиваемый насосом напор (или давление). Эта теорема гласит: изменение во времени главного момента количества движения системы материальных точек относительно некоторой оси равно сумме моментов всех сил, действующих на эту систему.

Момент количества движения жидкости относительно оси рабочего колеса во входном сечении

Момент количества движения на выходе из рабочего колеси

где r1 и r2 - расстояния от оси колеса до векторов входной V1 и выходной V2 скоростей соответственно.

Согласно определению момента системы можно записать:

Так как в соответствии с рис

Группы внешних сил - силы тяжести, силы давления в расчетных сечениях (входа-выхода) и со стороны рабочего колеса и силы трения жидкости на обтекаемых поверхностях лопастей рабочего колеса - действуют на массу жидкости, заполняющей межлопастные каналы рабочего колеса.

Момент сил тяжести относительно оси вращения всегда равен нулю, так как плечо этих сил равно нулю. Момент сил давления в расчетных сечениях по этой же причине также равен нулю. Если силами трения пренебрегают, то и момент сил трения равен нулю. Тогда момент всех внешних сил относительно оси вращения колеса сводится к моменту Мк динамического воздействия рабочего колеса на протекающую через него жидкость, т. е.

Произведение Мк на относительную скорость равно произведению расхода на теоретическое давление PT, создаваемое насосом, т. е. равно мощности, передаваемой жидкости рабочим колесом. Следовательно,

Это уравнение можно представить в виде

Разделив обе его части на Q, получим

Учитывая, что напор Н = Р/(pg) и подставив это значение получим

Если пренебречь силами трения, то можно получить зависимости, называемые основными уравнениями лопастного насоса . Эти уравнения отражают зависимость теоретического давления или напора от основных параметров рабочего колеса. Переносные скорости на входе в осевой насос и на выходе из него |одинаковы, поэтому уравнение принимает вид

В большинстве насосов жидкость в рабочее колесо поступает практически радиально и, следовательно, скорость V1 » 0. C учетом вышеизложенного

или

Теоретические давление и напор, развиваемые насосом, тем больше, чем больше окружная скорость на внешней окружности рабочего колеса, т. е. чем больше его диаметр, частота вращения и угол b2 , т. е. чем «круче» расположены лопатки рабочего колеса.

Действительные давление и напор, развиваемые насосом, меньше теоретических, так как реальные условия работы насоса отличаются от идеальных, принятых при выводе уравнения. Давление, развиваемое насосом, уменьшается главным образом из-за того, что при конечном числе лопастей рабочего колеса не все частицы жидкости отклоняются равномерно, вследствие чего уменьшается абсолютная скорость. Кроме того, часть энергии расходуется на преодоление гидравлических сопротивлении. Влияние конечного числа лопастей учитывают введением поправочного коэффициента k (характеризующею уменьшение окружной составляющей скорости V2u), уменьшение давления вследствие гидравлических потерь - введением гидравлического коэффициента полезного действия hr . С учетом этих поправок полное давление

а полный напор

Значение коэффициента hr зависит от конструкции насоса, его размеров и качества выполнения внутренних поверхностей проточной части колеса. Обычно значение hr составляет 0,8...0,95. Значение k при числе лопастей от 6 до 10, a2 = 8...14 0 и V2u = 1,5...4 м/с колеблется от 0,75 до 0,9.

При вращении рабочего колеса центробежного насоса жидкость, находящаяся между лопатками, благодаря развиваемой центробежной силе выбрасывается через спиральную камеру в напорный трубопровод. Уходящая жидкость освобождает занимаемое ею пространство в каналах на внутренней окружности рабочего колеса, поэтому у входа в рабочее колесо образуется вакуум, а на периферии - избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в приемном резервуаре и пониженного давления на входе в рабочее колесо жидкость по всасывающему водопроводу поступает в межлопаточные каналы рабочего колеса.

Центробежный насос может работать только в том случае, когда его внутренняя полость заполнена перекачиваемой жидкостью не ниже оси насоса, поэтому насосную установку оборудуют устройством для залива насоса.

Вопрос №39. Рабочая характеристика центробежного насоса Н-0.

Характеристикой центробежного насоса, или внешними и рабочими характеристиками, называют графическую зависимость основных показателей насоса, таких как напор, мощность и КПД, от подачи, а кавитационной характеристикой - график зависимости напора, подачи и КПД от избыточного напора на всасывании Н.

Все параметры насоса взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно влечет за собой изменение других. Если при постоянной частоте вращения ротора увеличить подачу насоса, то создаваемый им напор уменьшится. При изменении условий работы КПД насоса также меняется: при некоторых определенных значениях расхода и напора КПД насоса будет максимальным, а при всех других режимах его работы насос работает с худшим КПД. Отметим, что на КПД сильно влияет коэффициент быстроходности .

Характеристики центробежных насосов наглядно показывают эффективность их работы на различных режимах и позволяют точно подобрать наиболее экономичный насос для заданных условий работы.

Рабочая характеристика насоса вследствие гидравлических потерь и непостоянства гидравлического КПД отличается от теоретической.

Потери напора в рабочем колесе складываются из потерь на Трение в каналах колеса, потерь на удар при отклонениях скорости на входе в колесо от касательного направления в лопатке и др.

Как видно из рис. б, все зависимости строят на одном графике в соответствующих масштабах, причем подачу Q насоса откладывают по оси абсцисс, а напор Н, вакуумметрическую высоту, мощность и КПД - по оси ординат.

Чтобы определить по рабочей характеристике необходимые параметры насоса, поступают следующим образом. По заданной подаче насосаQ o находят на кривой Q -Н точку С, от которой проводят горизонтальную линию до пересечения со шкалой Н , где находят напор, соответствующий заданному расходу. Для определения мощности и КПД насоса проводят горизонтальные прямые из точек А и В и на шкалах N и h и таким образом находят соответствующие значения No и ho.

Рабочие характеристики насосов имеют несколько отличительных точек и областей. Начальная точка характеристики соответствует нулевой подаче насоса Q=0, что наблюдается при работе насоса с закрытой задвижкой на напорном трубопроводе. Как видно из рис. а, центробежный насос в этом случае развивает некоторый напор и потребляет мощность, которая расходуется на механические потери и нагрев воды в насосе.

Режим работы насоса, соответствующий максимальному КПД, называют оптимальным. Главная цель подбора насосов - обеспечение их эксплуатации при оптимальном режиме, учитывая, что кривая КПД имеет в зоне оптимальной точки пологий характер, однако на практике пользуются рабочей частью характеристики насоса (зона, соответствующая примерно 0,9hмакс, в пределах которой допускаются подбор и эксплуатация насосов).

Кавитационные характеристики необходимы для оценки кавитационных свойств насосов и правильного выбора высоты всасывания. Для построения кавитационной характеристики насоса его подвергают кавитационным испытаниям на специальных стендах.

В определенных границах изменения избыточного напора на всасывании Hвс.изб значения Q, Н и h остаются неизменными. При некоторых значениях Нвс.изб появляются шумы и треск при работе насоса, характеризующие наступление местной кавитации. При дальнейшем понижении Нвс.изб значенияQ, Н и h начинают постепенно уменьшаться, кавитационный шум усиливается и в конечном счете происходит срыв работы насоса. Точно установить момент начала воздействия кавитации на Q, Н и h не представляется возможным, поэтому условно принимают за минимальную избыточную высоту всасывания Нвс.изб min, то ее значение, при котором подача насоса падает на 1 % своего первоначального значения.

Очень часто на рабочие характеристики насосов наносят еще кривую Нвак - Q , которая дает значения допустимой вакуумметрической высоты всасывания в зависимости от подачи насоса.

Вопрос № 40. Треугольники скоростей. Пересчет и моделирование параметров.

В межлопаточных каналах рабочего колеса частицы жидкости участвуют в сложном движении:

 переносном - вместе с рабочим колесом;

 относительном - по отношению к стенкам межлопаточных каналов;

 абсолютном - результирующем по отношению к вышеназванным движениям.

Вектор абсолютной скорости частицы может быть представлен суммой переносной (окружной) скоростии относительной скорости.

Относительная скорость частицы в любой точке профиля лопатки касательна к нему. Абсолютную скорость раскладывают на окружнуюV iu и меридианную (расходную) V i м составляющие, которые определяются по следующим формулам

где i = 1,2. Индекс "1" - соответствует параметрам жидкости на входе в рабочее колесо, а "2" - на выходе из него.

2.1. Основное уравнение турбомашин

(турбинное уравнение Эйлера)

Основное уравнение турбомашин связывает геометрические и кинематические характеристики рабочего колеса с развиваемым им напором. При его выводе принимают, что траектория частиц жидкости в межлопаточных каналах повторяет очертания профиля лопасти, т.е. для рабочего колеса делается допущение о бесконечности числа расположенных на нем бесконечно тонких лопаток (признаком этого будет служить символ  в качестве индекса).

Вывод основан на уравнении моментов количества движения при установившемся движении жидкости в равномерно вращающихся каналах, согласно которому изменение в единицу времени момента количества движения жидкости L , находящейся в канале, равно моменту действующих на нее внешних сил:

К внешним силам, действующим на жидкость в канале, относят силы, с которыми стенки канала действуют на жидкость, силы давления, силы трения, силы тяжести. Анализ показывает, что равнодействующие сил давления на внутренней и внешней образующих колеса проходят через ось вращения и момента не создают. Силы тяжести из-за симметрии рабочего колеса уравновешаны, а силы трения, действующие по периферийным поверхностям вращения малы. На основании вышеперечисленного предполагают, что момент создают только силы, возникающие от взаимодействия стенок рабочих каналов с жидкостью, находящейся в них.

Этот момент внешних сил связан с гидравлической мощностью насоса N г и угловой скоростью вращения  следующим соотношением:

Подставляя найденные величины в закон изменения момента количества движения во времени получим уравнение Эйлера:

. (2.1)

Уравнение Эйлера связывает теоретический напор насоса со скоростями движения жидкости, которые зависят от подачи насоса, угловой скорости вращения рабочего колеса, а также с его геометрическими характеристиками.

Поток на входе в рабочее колесо создается предшествующим ему устройством (подводом). Следовательно момент скорости (закрутка) определяется конструкцией подвода. Подводящие устройства многих насосов не закручивают поток и момент скорости на входе равен нулю. В этом случае теоретический напор определится по следующему уравнению:

где - окружная скорость на периферии колеса.

Учитывая, что

где n - частота вращения, об/мин;

а проекция абсолютной скорости на выходе из колеса на окружную скорость, как следует из треугольника скоростей (см. рис. 2.1), определяется выражением

уравнение для теоретического напора примет вид:

где b 2 - ширина канала рабочего колеса на выходе.

Теоретический напор при конечном числе лопастей H т меньше , что учитывается введением в уравнение Эйлера поправочного коэффициента

Из рассмотрения треугольников скоростей (рис.2.1), на основании теоремы косинусов можно записать

С учетом приведенных зависимостей уравнение Эйлера может быть преобразовано к виду:

где - напор, создаваемый за счет действия центробежных сил в потоке;

Напор, создаваемый за счет изменения относительной скорости в канале рабочего колеса;

Напор, создаваемый за счет изменения абсолютной скорости в канале рабочего колеса.

Величину - называют статической частью напора, а- динамической частью напора.

С целью уменьшения потерь в насосе желательно, чтобы статическая часть напора преобладала, причем за счет центробежной составляющей.

Вопрос №41. Работа центробежного насоса на данный трубопровод.

Совокупность насоса, приемного и напорного резервуаров, трубопроводов, связывающих вышеперечисленные элементы, регулирующей и запорной арматуры, а также контрольно-измерительной аппаратуры составляет насосную установку. Для перемещения жидкости по трубопроводам из приемного резервуара в напорный необходимо затрачивать энергию на:

 подъем жидкости на высоту H г, равную разности уровней в резервуарах (эту величину называют геометрическим напором насосной установки);

 преодоление разности давлений в них p п и p н;

 преодоление суммарных гидравлических потерь h п во всасывающем и напорном трубопроводах.

Таким образом, энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости из приемного резервуара в напорный по трубопроводам, или потребный напор установки определяется по выражению:

Характеристикой насосной установки называют зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический напор H г, давления p п и p н от расхода не зависят. Гидравлические потери являются функцией расхода и зависят от режима движения. При ламинарном режиме характеристика трубопровода изображается прямой линией, при турбулентном движении в шероховатых трубах потери напора, а следовательно и характеристика имеет вид параболы.

Вопрос №42. Параллельная и последовательная работа центробежных насосов.

Параллельной работой насосов называется одновременная подача перекачиваемой жидкости несколькими насосами в общий напорный коллектор . Необходимость в параллельной работе нескольких одинаковых или разных насосов возникает в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемый расход воды подачей одного насоса. Кроме того, поскольку водопотребление в городе неравномерно по часам суток и по сезонам года, то подачу насосной станции можно регулировать числом одновременно работающих насосов.

При проектировании совместной работы центробежных насосов нужно хорошо знать их характеристики; подбирать насосы следует с учетом характеристики трубопровода.

Центробежные насосы могут работать параллельно при условии равенства развиваемого напора.

Если один из насосов имеет напор меньше, чем другие, то он может быть подключен на параллельную работу только в поле рекомендуемой работы. При повышении напора в системе этот насос может принимать участие в работе, но его КПД будет падать. При достижении максимального напора подача насоса будет равна 0. Дальнейшее увеличение напора в системе приведет к закрытию обратного клапана и выключению насоса из работы. Поэтому для параллельной работы следует подбирать насосы однотипные с равными или незначительно отличающимися напорами и подачами.

Различные схемы параллельной работы насосов применяются весьма часто для водоснабжения и перекачивания сточных вод, где целесообразно подачу от нескольких насосов или станций объединять в общий коллектор. Расчет режима работы по таким схемам можно производить аналитическим или графическим способом. В практике проектирования насосных станций наибольшее распространение получил графический способ.

При параллельной работе насосов в сеть возможны следующие варианты компоновки системы «насосы - сеть»:

в системе работает несколько насосов с одинаковыми характеристиками;

в системе работает несколько насосов с разными характеристиками;

насосы подключены к общему трубопроводу на близком расстоянии друг от друга, т. е. потери напора от насоса до напорного водовода считают равными для всех установленных насосов, или же насосы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, т. е. разности потерь напора от насоса до присоединения к общему напорному трубопроводу необходимо учитывать.

Параллельная работа нескольких насосов с одинаковыми характеристиками. При построении характеристики нескольких параллельно работающих насосов на общий напорный трубопровод суммируют подачи насосов при равных напорах.

Если на насосной станции установлены насосы с, пологой характеристикой Q - Н и расположены они несимметрично относительно напорного трубопровода, то для определения более точных режимных точек работы каждого насоса при параллельной работе необходимо построить приведенные характеристики Q - Я", для чего строят характеристики всасывающего и напорного трубопроводов в пределах насосной станции и вычитают ординаты полученных характеристик из ординат характеристик соответствующих насосов.

Параллельная работа насосов, расположенных на разных насосных станциях. В системах водоснабжения, имеющих несколько источников питания, применяют схему подани воды несколькими насосными станциями в общие коллекторы. В этом случае необходимо рассчитывать систему параллельно работающих насосов, расположенных на разных насосных станциях.

Подобные схемы часто применяют и при перекачивании сточных вод отдельных районов канализования в напорный трубопровод другой канализационной насосной станции. Такие схемы позволяют значительно сократить протяженность напорных трубопроводов и уменьшить капитальные затраты.

Для расчета системы необходимо определить характеристику параллельной работы насосов, установленных на каждой станции. Этот расчет производится так же, как и для параллельно работающих насосов, установленных на близком расстоянии друг от друга. Затем строятся приведенные характеристики к точке выхода напорных водоводов из насосной станции.

Последовательной называется работа насосов, при которой один насос (I ступень) подает перекачиваемую жидкость во всасывающий патрубок (иногда во всасывающий трубопровод) другого насоса (II ступень), а последний подает ее в напорный водовод

В условиях проектирования и строительства насосных станций последовательную работу насосов применяют в тех случаях, когда жидкость подается по трубам на очень большие расстояния или на большую высоту. В некоторых случаях перекачивать жидкость можно только последовательно работающими насосами. Так, например, на насосных станциях, перекачивающих осадок, в момент запуска рабочего насоса требуется создать напор, который превышает напор, развиваемый насосом, и который можно создать при последовательной работе двух насосов. Последовательное соединение применяют и в тех случаях, когда необходимо при постоянном (или почти постоянном) расходе увеличить напор, что невозможно сделать одним насосом.

Рассмотрим случай последовательной работы рядом установленных двух однотипных центробежных насосов.

Напор одного насоса недостаточен даже для подъема воды на геометрическую высоту #г. При подключении второго однотипного насоса с такой же характеристикой оказывается, что насосы развивают напор, достаточный, чтобы поднять воду на высоту #г и преодолеть сопротивление в трубопроводе при заданной подаче.

Режимная точка работы последовательно соединенных насосов определяется точкой К, полученной пересечением суммарной характеристики Q - #1+ц с характеристикой трубопровода Q -#тр.

Если насосы установлены последовательно на одной станции, то при построении характеристики трубопровода необходимо учесть потери на участке от напорного патрубка насоса / до всасывающего патрубка насоса // и внести поправку в характеристику Q - #ц. Игнорировать потери в соединительном участке недопустимо, так как обычно диаметры арматуры и трубопровода, соединяющего насосы, принимают равными диаметру всасывающего патрубка насоса //. Вследствие больших скоростей движения жидкости потери напора на этом участке относительно велики. По этой же причине необходимо стремиться к максимальному упрощению соединительного трубопровода, по возможности избегая поворотов. Следует отметить, что последовательное соединение насосов обычно экономически менее выгодно, чем применение одного насоса.

Два последовательно соединенных насоса приводят в действие следующим образом. При закрытых задвижках 1 а 2 включают насос /. После того как насос / разовьет напор, равный напору при закрытой задвижке, открывают задвижку / и пускают насос //. Когда насос // разовьет напор, равный напору 2#о, открывают задвижку 2.

При последовательной работе насосов следует обращать особое внимание на выбор насосов, так как не все они могут быть использованы для последовательной работы по условиям прочности корпуса. Эти условия оговариваются в техническом паспорте насоса. Обычно последовательное соединение насосов допускается не более чем в две ступени.

Последовательно соединенные насосы можно расположить в одном машинном зале, значительно сократив эксплуатационные затраты и капитальные вложения на строительство здания станции, но в этом случае необходимо устанавливать арматуру повышенной прочности и выполнять более массивные крепления и упоры труб. Поэтому иногда целесообразнее размещать насосы на отдалении друг от друга при транспортировании воды на большое расстояние.

Работа каждого насоса характеризуется рядом связанных между собой величин, как то: производительностью, напором, числом оборотов, к. п. д., потребной мощностью.

Насосные установки часто представляют собой соединения центробежных насосов с асинхронными электромоторами трехфазного переменного тока, не позволяющими регулировать число их оборотов.

Изменение числа оборотов центробежного насоса может иметь место, например, при приведении его в действие от двигателя внутреннего сгорания или при помощи ременной передачи при возможности изменения диаметра шкива. Моторы постоянного тока позволяют изменять число оборотов, но имеют весьма ограниченное применение.

Работа насоса при определенном числе оборотов характеризуется вполне определенной кривой QH, выражающей графически зависимость между производительностью и напором, развиваемыми насосом. Кроме того, как это следует из изложенного:

.

Последнее представляет уравнение параболы с параметром:

Работа насоса характеризуется также кривой к. п. д. в зависимости от Q и кривой потребной мощности в зависимости от Q. Как это видно из дальнейшего, Q и Н при данном n устанавливаются в увязке с работой сети.

Полная высота преодолеваемого напора состоит из статической (геометрической) части и динамической части - сопротивления в трубопроводах, которое меняется с изменением количества перекачиваемой жидкости.

Если построить в прямоугольных координатах геометрическую высоту подъема Н(параллельна оси абсцисс), в каждой точке этой линии отложить по вертикали (фиг. 24) отрезки, равные потерям в трубопроводе (сети) при подаче соответствующих количеств жидкости, то получим параболическую кривую, характеризующую работу трубопровода (сети). Насос должен обеспечить напор, необходимый для пропуска в сети определенного расхода.

При наложении кривой QH насоса и кривой, характеризующей работу сети, точка В пересечения этих кривых определит максимальную подачу данного насоса при работе в данный трубопровод (сеть). Меньшие производительности могут быть получены при частичном погашении избытка напора на задвижке; так, например, если желательно получить производительность Q 2 , то потребный напор должен быть Н 2 ", а напор, развиваемый при этом насосом, есть Н 2 , поэтому часть напора, равная H 2 - Н 2 ", должна гаситься при частичном прикрытии задвижки, необходимом для уменьшения Q 1 до Q 2 . При желании получить производительность большую, чем Q 1 например Q 3 , необходимо развить насосом напор Н 3 ", а насос при этой производительности развивает напор H 3

На фиг. 25 представлена схема параллельной работы двух насосов, а на фиг. 26 - характеристика работы насоса при параллельном соединении колес (сдвоенный, строенный насос). Общий расход Q равен сумме расходов всех колес; напор, развиваемый насосом, изменяется в тех же пределах, как и напор, развиваемый каждым колесом (абсциссы складываются при одинаковых ординатах).

Когда в один и тот же трубопровод (сеть) работает несколько насосов (параллельная работа), то определение рабочих точек В имеет особо важное значение. Учитывая, что при работе двух насосов, т. е. при удвоенных количествах воды, и при работе трех насосов, т. е. при утроенных количествах воды, потери возрастут примерно в 4 раза (2 2) в первом случае и примерно в 9 раз (З 2) во втором, перестраиваем искусственно кривые потерь для случая работы двух и трех насосов (фиг. 27), для чего от линии геометрического напора для соответствующих производительностей откладываем отрезки потерь, в 4 раза (при двух насосах) и в 9 раз (при трех насосах) большие, чем при работе одного насоса.

Схема последовательной работы двух насосов представлена на фиг. 37.

Идея последовательной работы центробежных насосов до некоторой степени отражена в типе многоколесного насоса. На фиг. 38 показаны характеристики насосов с одним, двумя и тремя одинаковыми колесами. Ординаты увеличиваются по числу колес, абсциссы те же.

Идея последовательной работы отражена в некоторых конструкциях агрегатов, развивающих очень большие напоры. Многокамерный насос производительностью 3000 л/мин и напором 728 м, изображенный на фиг. 39, представляется разделенным на две последовательно соединенные части, приводимые в движение общим мотором; вода по выходе из напорного штуцера первой части агрегата поступает к всасывающему штуцеру второй части и оставляет напорный штуцер этой части агрегата с давлением, равным сумме давлений, обусловленных работой первой и второй частей насоса.

Расположение насосов, приводимых в движение отдельными двигателями, называется последовательным в том случае, когда напорный трубопровод, идущий от первого, присоединен ко всасывающему штуцеру второго; в этом случае напоры, развиваемые обоими насосами, суммируются (за вычетом потерь в соединяющем их трубопроводе).

Последовательное соединение насосов выполняется при желании увеличить напор воды, подаваемой в какую-либо отдельную зону (при необходимости иметь канализационные насосы со значительным напором иногда проектируют установку двух последовательно расположенных насосов; эксплуатация канализационных насосов при этом усложняется).

Вопрос №43. Подбор центробежного насоса.

Для работы с водной средой человек создал гидравлические машины. Те разновидности, которые передают энергию от воды механическим частям, называются гидромоторами. Но возможно и обратное действие, когда механизм воздействует на воду. В этом случае речь идет о гидравлических насосах.

Первые гидравлические агрегаты были ручными. Сейчас используется не только ручная механическая гидравлика, но и электрическая. Чаще всего встречается в эксплуатации поршневой жидкостный насос.

Виды поршневых насосов

Разнообразие гидравлических насосных агрегатов делится на несколько видов. Они отличаются конструкцией и характером работы. Наиболее распространенный вариант – гидравлический насос с поршневой конструкцией. Такие устройства бывают радиально поршневыми и аксиально-поршневыми.

Существует две разновидности аксиально-поршневых устройств в зависимости от расположения оси вращения поршневой группы: прямые и наклонные. Работают они по одному принципу. Когда вращается вал, приходят в движение цилиндры. Они тоже вращаются и одновременно двигаются возвратно-поступательно. Когда ось цилиндра и всасывающее отверстие совпадают, поршень выдавливает жидкость. После этого цилиндр вновь заполняется жидкостью.

Наклонные аксиально-поршневые приборы разделяются на агрегаты с наклонным диском и устройства с наклонным блоком цилиндров.

Плюсы и минусы аксиально поршневых устройств

Агрегаты аксиально-поршневого типа обладают множеством преимуществ по сравнению с другими гидравлическими насосными устройствами. Они отличаются компактными размерами и относительно небольшим весом. Эти характеристики не мешают им обладать значительной мощностью и производительностью. Небольшие размеры деталей имеют малую инерцию.

В аксиальных устройствах имеется возможность регулировки частоты вращения мотора.

Самое важное достоинство насосного оборудования такого типа заключается в возможности работы при значительном давлении. Частота вращений при этом не уменьшается. Есть возможность изменять рабочий объем непосредственно во время работы. Частота вращений составляет от пятисот до четырех тысяч оборотов в минуту. По этому показателю аксиальные агрегаты превосходят радиальные.

Аксиальные устройства способны работать при давлении от тридцати пяти до сорока мегапаскаль. Объемные потери невелики и составляют всего от трех до пяти процентов.

Рабочие камеры герметичны. Обуславливается это высокой точностью изготовления и малыми зазорами между расточками и поршнями.

Используя насос такого типа можно легко регулировать силу и направления перекачки жидкости.

Существуют у аксиально-поршневых насосов и недостатки:

• Высокая цена устройства.
• Конструкция сложная, что делает ремонт и обслуживание сложным и затратным процессом.
• При использовании обязательно надо следовать инструкции. Нарушения ведут к частым поломкам.
• Перекачка жидкости пульсирующая. Если использовать насос для водопроводной системы, то пульсация будет заметна и в ней.
• Процесс ремонта может быть длительным из-за высокой сложности процесса.
• Для работы такого насоса требуется чистая вода. Ее надо очищать от всех примесей крупнее десяти микрометров.
• Агрегат довольно шумный.

Поршневой насос

Поршневой насос (плунжерный насос) - один из видов объёмных гидромашин, в котором вытеснителями являются один или несколько поршней (плунжеров), совершающих возвратно-поступательное движение.

Рис. 2. Дифференциальная схема включения поршневого насоса. Во время движения поршня влево часть жидкости отводится в штоковую полость, объём которой меньше объёма вытесняемой жидкости за счёт того, что часть объёма штоковой полости занимает шток

В отличие от многих других объёмных насосов , поршневые насосы не являются обратимыми, то есть, они не могут работать в качестве гидродвигателей из-за наличия клапанной системы распределения.

Поршневые насосы не следует путать с роторно-поршневыми, к которым относятся, например, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы.

Принцип работы

Принцип работы поршневого насоса (рис. 1) заключается в следующем. При движении поршня вправо в рабочей камере насоса создаётся разрежение, нижний клапан открыт, а верхний клапан закрыт, - происходит всасывание жидкости. При движении в обратном направлении в рабочей камере создаётся избыточное давление, и уже открыт верхний клапан, а нижний закрыт, - происходит нагнетание жидкости.

Одной из разновидностей поршневого насоса является диафрагменный насос.

Борьба с пульсацией

Одним из недостатков поршневых насосов, как и других объёмных насосов, являются пульсации подачи и давления. Пульсации можно уменьшить, расположив несколько поршней в ряд и соединив их с одним валом таким образом, чтобы циклы их работы были сдвинуты друг относительно друга по фазе на равные углы. Другим способом борьбы с пульсацией является использование дифференциальной схемы включения насоса (рис. 2), при которой нагнетание жидкости осуществляется не только во время прямого хода поршня, но и во время обратного хода.

Также широко применяют насосы двустороннего действия, у которых как поршневая, так и штоковая полость имеют (в отличие от дифференциальной схемы включения) свою клапанную систему распределения. У таких насосов коэффициент пульсаций ниже, а КПД выше, чем у насосов одностороннего действия (рис. 1).

Для борьбы с пульсацией также применяют гидроаккумуляторы , которые в момент наибольшего давления запасают энергию, а в момент спада давления отдают её.

Применение

Поршневые насосы используются с глубокой древности. Известно их применение для целей водоснабжения со II века до нашей эры. В настоящее время поршневые насосы используются в системах водоснабжения, в пищевой и химической промышленности, в быту. Диафрагменные насосы используются, например, в системах подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания.

См. также

Литература

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982.
2. Гейер В. Г., Дулин В. С., Заря А. Н. Гидравлика и гидропривод: Учеб для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Поршневой насос" в других словарях:

поршневой насос - Возвратно поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней. [ГОСТ 17398 72] Тематики насос EN piston pump DE Kolbenpumpe FR pompe à pistons …

Объемный насос, рабочий орган которого поршень, совершающий возвратно поступательное движение в цилиндре … Большой Энциклопедический словарь

Объёмный насос, рабочий орган которого поршень, совершающий возвратно поступательное движение в цилиндре. * * * ПОРШНЕВОЙ НАСОС ПОРШНЕВОЙ НАСОС, объемный насос, рабочий орган которого поршень, совершающий возвратно поступательное движение в… … Энциклопедический словарь

поршневой насос - stūmoklinis siurblys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. piston pump; positive displacement pump vok. Kolbenpumpe, f; Pumpe in Verdrängungsbauart, f; volummetrische Pumpe, f rus. поршневой насос, m pranc. pompe à piston, f; pompe… … Automatikos terminų žodynas

поршневой насос - stūmoklinis siurblys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. piston pump vok. Kolbenpumpe, f rus. поршневой насос, m pranc. pompe à piston, f … Fizikos terminų žodynas

поршневой насос - stūmoklinis siurblys statusas T sritis Energetika apibrėžtis Slankiojamojo judesio siurblys, kurio pagrindinis darbinis mechanizmas yra stūmoklis. Skysčio tiekimo netolygumui sumažinti naudojami daugiacilindriai siurbliai arba pneumatiniai ar… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

См. в ст. Насос … Большая советская энциклопедия

Возвратно поступательный насос, у к рого рабочие органы выполнены в виде поршней (см. рис.). Неравномерность подачи жидкости уменьшают, применяя многоцилиндровые П. н., а также пневмогидравлич. аккумуляторы. Напор 10 000 м и более. Находят… … Большой энциклопедический политехнический словарь

поршневой насос - объёмный насос … Словарь русских синонимов по технологиям автоматического контроля

аксиально-поршневой насос - Роторно поршневой насос, у которого ось вращения ротора параллельна осям рабочих органов или составляет с ними угол менее или равный 45°. [ГОСТ 17398 72] Тематики насос EN axial piston pump DE Axialkolbenpumpe FR pompe à pistons axiaux … Справочник технического переводчика

Оборудование, которое превращает механическую энергию поршня в аналогичную энергию жидкости известно нам давно.Устройство и принцип работы поршневых насосов остается неизменным на протяжении долгих лет, несмотря на то, что его постоянно изменяли и совершенствовали. На сегодняшний день, такие механизмы имеют улучшенную конструкцию, по сравнению со своими более старыми аналогами. Крепкий корпус, а также хорошее внутреннее строение позволяют использовать их в различных сферах жизнедеятельности. Подобные устройства мы можем увидеть в быту или на предприятии.

Внутренняя система приспособлений

Итак, конструкцию можно условно разделить на две части:

• Механическая
• Гидравлическая.

Первая нужна для того, чтоб превращать энергию поршня в энергию жидкости. Вторая, в свою очередь, обеспечивает преобразование движения приводного звена в движение поршня. Самые простые поршневые насосы состоят из таких частей:

• Цилиндр;
• Поршень;
• Клапан всасывающий, нагнетальный

Как работает?

Принцип работы поршневого насоса предусматривает наличие в принимающем трубопроводе клапана, который закрывается. Поэтому, жидкость не будет снова поступать в цилиндр. Схема довольно-таки проста, но есть ряд особенностей. Всё потому, что возвратно-поступательные действия не могут обеспечить равномерность и плавность подачи носителя. Из-за скачкообразного темпа, устройство может доставлять некие неудобства в использовании. Но производители работают над тем, чтоб убрать это момент.

Устройство и принцип действия предполагает, что есть соединение всасывающего трубопровода и камеры цилиндра с резервуаром. Когда происходит всасывание, в месте соединения трубопровода и цилиндра можно наблюдать разрежение. Когда происходит возвратно-поступательное движение, жидкость из трубопровода перетекает в цилиндр, а уже оттуда в нагнетательную трубу. После того, как эти процессы пройдены, она поступает к потребителю. Потребителем мы называем различные резервуары, котлы на пару или остальные емкости.

Поршневые насосы бывают нескольких разновидностей: с одним, двумя, тремя или большим количеством цилиндров. Также существуют поршневые насосы двухстороннего действия. Данная разновидность появилась благодаря тому, что производители решили устранить пульсацию, она появляется из-за скачкообразного ритма при выталкивании жидкости поршнем.

Принцип работы поршневого насоса предполагают клапанные системы для штоковой и поршневой полости. Еще одним типом агрегата, у которой была устранена проблема скачков, можно назвать механизм, дополненный гидроаккамулятором. В тот момент, когда давление жидкости максимально повышено, происходит сбор энергии, а когда оно понижается, то наоборот отдача. Такие приспособления имеют свои преимущества, но уступают в надежности и времени эксплуатации односторонним аналогам.

Плунжерные насосы

Когда разновидности с простыми поршнями уже устарели и нужно создавать что-то новое, производители начали выпускать плунжерные насосы. Эксплуатация таких конструкций дает возможность перемешать разнообразные составляющие растворов в нужном соотношении. Данная возможность бывает часто востребованной ы бытовой сфере и в промышленности.

Делятся приспособления насосного типа на два вида:

• Объемные;
• Необъемные.

Плунжерный насос первого типа может своей работой напомнить поршневой. Различие между ними состоит в том, что здесь есть специальный поршень, так называемый плунжер. Обычно этот элемент должен быть изготовлен из прочного материала, быть герметичным и износостойким.

Где используются подобные приспособления

Агрегаты обоих типов, как с поршнем, так и с плунжером, можно часто увидеть в любой сфере. Принцип их работы не подразумевает, что устройство будет иметь дело с очень объемными носителями. Несмотря на это, его полезные качества, например, прием жидкости в сухом цилиндре в ходе вытеснения вещества, пригодятся в химической промышленности.

Можно выделить возможность работы поршневых конструкций в агрессивных условиях, со смесями с повышенной взрывоопасностью и даже с топливом.

Но это далеко не все возможные варианты, ведь агрегат можно эксплуатировать и в быту для водоснабжения.

Преимущества и недостатки работы

Среди основных преимуществ можно отметить то, что конструкция достаточно выносливая благодаря тому, что все детали, которые являются ее компонентами, сделаны из прочных материалов. Также, подобный агрегат есть возможность использовать с носителями, которые ставят высокую планку условия спуска. Специалисты говорят еще о плюсе «сухого всасывания», их можно увидеть не у каждого насоса. Если говорить о недостатках, связаны они лишь с небольшой производительностью. Конечно, дальше производители постараются расширить функциональные возможности и параметры агрегатов, но не все так просто. Такие манипуляции могут привести к тому, что условия эксплуатации тоже повысятся. Но даже несмотря на маленькие недостатки, насосы все равно способны продуктивно работать при небольших затратах.

Современные модификации, как плунжерных, так и поршневых насосов, позволяют выполнить большое количество задач. Насосы другого типа тоже могут с ними справиться, но есть ситуации, когда не обойтись без специального гидравлического принципа перемещения жидкости. Именно здесь работа поршневого устройства будет, как нельзя кстати. Кроме того, востребованность подобных приспособлений объясняется тем, что они не требуют особого обслуживания. Подкупает и простая конструкция, и это все при том, что техника имеет высокий уровень эксплуатации. Поршневые типы, несмотря на появление новых, более современных, не перестают пользоваться популярностью на рынке.